[发明专利]一种适用于电力系统分析的转桨式水轮机调节系统动态模型

说明书

技术领域

本发明涉及水力发电及电力系统建模技术领域，具体涉及一种适用于电力系统分析的转桨式水轮机调节系统动态模型。

背景技术

建立可表征调速系统实际特性的原动机及调速器模型，是提高电网安全稳定分析准确性及系统运行指导性的重要基础。转桨式水轮机采用导叶和桨叶双调节以提高发电效率，是我国常见水轮机形式之一，在水力发电中占有重要地位。电力系统计算中转桨式水轮机动态行为描述的准确性会对电力系统分析结果造成一定影响。

现有的PSASP和PSS/E等电力系统分析软件中，仅以混流式水轮机为基础建立了通用的水轮机及其调速器模型，其调速器基本能反映单调节水轮机特性，导叶控制系统模型直接沿用火电机组电液随动系统模型；其水轮机及引水系统模型表征了水轮机的基本特性，采用的理想水轮机模型适用于研究额定工况点附近的机组特性，采用的线性化水轮机模型适用于研究机组小波动状况，其难以适用于机组全过程的动态仿真分析；且混流式机组、转桨式机组的水轮机调节系统具有不同的综合特性曲线，但对于电力系统稳定计算而言太过复杂，参数不易获取，不适用于电力系统仿真计算。

转桨式水轮机属于双调节机组，即导叶调节和桨叶调节二者之间存在协联关系，且桨叶角度对转桨式水轮机暂态仿真精度的影响不可忽略，因而协联关系的准确表达显得尤为重要。现有研究中，双调节水轮机导叶和桨叶协联及非协联时的运动规律利用模块化建模；导叶与桨叶协联关系的求取上，采用多项式插值与拟合、神经网络等方法；导叶和桨叶间的协联特性可用一次线性关系表征，水轮机模型采用解析非线性模型，但水轮机输出机械功率精度还有待提高。因此，亟待建立适用于电力系统分析的转桨式水轮机调节系统动态模型，考虑水力系统非线性及导叶与桨叶双调节特性、测试其调速系统参数，为机组接入电网安全稳定运行提供重要依据。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足，提供一种符合实际情况、考虑水力系统非线性及导叶与桨叶双调节特性、仿真精度高、参数测试方便且具有推广应用价值的适用于电力系统分析的转桨式水轮机调节系统动态模型。

本发明的上述目的采用如下技术方案来实现的：

一种适用于电力系统分析的转桨式水轮机调节系统动态模型，包括：调速器模型、导叶控制系统模型、桨叶控制系统模型、水轮机及引水系统模型，所述导叶控制系统模型与桨叶控制系统模型构成转桨式水轮机双调节系统，其中，所述调速器模型的信号输入端用于输入发电机频率与电网频率的频率偏差及机组功率给定值，所述导叶控制系统模型的信号输入端与调速器模型的信号输出端连接，所述桨叶控制系统模型的信号输入端与导叶控制系统模型的信号输出端连接，所述导叶控制系统模型的信号输出端及桨叶控制系统模型的信号输出端均与水轮机及引水系统模型的信号输入端连接；所述调速器模型根据输入的发电机频率与电网频率的频率偏差信号及机组功率给定值计算调速器模型的输出，所述导叶控制系统模型根据调速器模型输入计算导叶开度输出，所述桨叶控制系统模型根据不同水头下导叶开度与桨叶开度间存在的协联关系计算桨叶开度输出，所述引水系统模型用于将发电用水输送给水轮机，所述水轮机及引水系统模型根据导叶开度输入和桨叶开度输入计算水轮机的机械功率输出。

其中，所述桨叶控制系统模型，考虑了速率限幅和幅值限制非线性环节，将桨叶角转换为0～1之间的桨叶开度值，其桨叶开度值的变化动态行为用一阶惯性环节描述为

式中，G_r(s)为桨叶控制系统传递函数，T_yr为桨叶接力器时间常数，s为复数参变量。

其中，所述桨叶控制系统模型，包括协联装置和桨叶随动系统，所述导叶控制系统通过协联装置与桨叶随动系统连接，在设定水头下，导叶开度与桨叶开度之间存在协联关系，用五次曲线拟合的方法获取，其拟合函数为

式中，y_g为导叶开度，y_r为桨叶开度，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为拟合系数。

其中，转桨式水轮机模型在混流式水轮机解析非线性模型的基础上考虑了桨叶开度对水轮机效率的修正作用，即导叶开度与桨叶开度共同影响水轮机模型的机械功率输出，将桨叶开度控制效果视做流量的增加量；

将所述水轮机模型中的水轮机流量与开度、水头的关系看成是阀门关系，可得水轮机解析非线性模型为